För ganska precis ett år sedan skrev vi ”Allt om tekniken med fria ventiler från FreeValve och Koenigsegg” (klicka för att hoppa dit). Artikeln om den svenska ingenjörskonsten har sedan blivit en av de mest lästa här på automotorsport.se.
Fria ventiler är en dröm men den har hittills gäckat alla motorkonstruktörer då varje försök att nå serieproduktion misslyckats. Men Koenigsegg och dotterbolaget FreeValve har hittat en teknisk lösning som är ska debutera hos kinesiska biltillverkaren Qoros.
Att förstå FreeValves teknik är inte helt lätt. Ni som inte riktigt förstått ännu kan lyssna när Jason Fenske på YouTube-kanalen Engineering Explained förklarar de fria ventilerna. Lite längre ner på sidan finns länkar till våra tidigare artiklar och ytterligare några filmer på YouTube som förklarar FreeValve.
Tidigare försök att skapa fria ventiler har skett med antingen hydraulik, magnetventiler eller tryckluft (pneumatik). Det som är unikt med FreeValves patenterade teknik är att man kombinerar pneumatik och hydraulik. Det som också är helt nytt är att tryckluften ”knuffar” ventilen i en kort tryckstöt, sedan expanderar luften och man får en mycket energieffektiv öppning/stängning av ventilerna. På lägre varvtal förbrukar FreeValve-tekniken en mindre mängd energi än det går åt att snurra på kamaxlarna och komprimera ventilfjädrarna.
Genom att lyfthöjd och öppningstid är näst intill helt fritt (så länge inte kolven är i vägen) så går det att ersätta gasspjället i trottelhuset, vilket sänker pumpförlusterna i en bensinmotor (på liknande sätt som i en dieselmotor). Utvecklingen av de fria ventilerna inleddes i början av 2000-talet och den första Qoros-modellen med FreeValve-teknik väntas komma ut på marknaden om två år.
Fördelarna med fria ventiler
• Eftersom en FreeValve-motor inte använder gasspjäll blir det inga pumpförluster vid dellast. En vanlig bensinmotor måste ”dra” luften förbi det nästan stängda trottelspjället. Vid lägre effektbehov går därför FreeValve-motorn mycket mer effektivt jämfört med en konventionell bensinmotor, ungefär som en dieselmotor.
• Varje cylinder har två avgasventiler och deras avgasportar delas upp. Exempelvis en till turboaggregatet och en som går direkt till katalysatorn, eller till EGR-kylaren (avgasrecirkulation). Avgasflödet till turbon kan därmed styras till rätt nivå utan wastegateventil, vilket minskar kostnaderna.
• Vid kallstart startar en fyrcylindrig FreeValve-motor på två cylindrar, eftersom det blir effektivare att belasta färre cylindrar med ett större arbete. Temperaturen stiger snabbt (hälften så stora ytor att värma upp), vilket gör att katalysatorn ”tänder” snabbare.
• Vid varvtal upp till cirka 2.500 rpm kan en motor med FreeValve-teknik köras som en tvåtaktsmotor (utan nackdelar som dåliga emissioner). Det kan utnyttjas för att till exempel få en trecylindrig motor att gå jämnt och fint vid lägre varvtal (den körs då som ”sexcylindrig”).
• När det gäller verkningsgrad kan en bensinmotor med FreeValve-teknik jämföras med en dieselmotor. Men dieselmotorn är kanske 10.000–20.000 kronor dyrare och betydligt tyngre.
• En av de stora fördelarna med FreeValve-tekniken är att en bensinmotor får lika bra verkningsgrad som en dieselmotor, men utan dyrbara problem för att rena avgaserna. En bensinmotor går också mjukare och tystare än en dieselmotor.
• FreeValve är främst tänkt för bensinmotorer, men kan användas på alla typer av motorer. En dieselmotor kan öka sin verkningsgrad med ett par procentenheter,vilket kostnadsmässigt skulle kunna vara motiverat på exempelvis lastbilsmotorer och fartygsmotorer.
• Motorer med FreeValve-teknik kan uppnå mycket bra verkningsgrad även med portinsprutning. Många moderna bensinmotorer har direktinsprutning för att höja verkningsgraden men då får man problem med höga partikelnivåer, vilket kan kräva ett extra (dyrbart) partikelfilter.
• FreeValve-tekniken innebär att motorn slipper skrymmande kamaxlar och ventilmekanism. Det sänker höjden på motorn med cirka fem centimeter och förkortar den också på längden (eftersom ingen kamaxeldrivning behövs).
• Färre komponenter och mindre mått gör att vikten kan minskas med cirka 20 kilo på Qoros-motorn med FreeValve-teknik, jämfört med en konventionell Qorosmotor.
• Med fria ventiler är det mycket enkelt att deaktivera hälften av cylindrarna. Det går också snabbt att skifta mellan de olika cylindrarna, vilket gör att man kan bibehålla värmen i alla förbränningsrum.
• Ett variabelt kompressionsförhållande vore önskvärt men fria ventiler är på sätt och vis ett sätt att komma ”halvvägs”. Det statiska kompressionsförhållandet är samma men det dynamiska förbränningstrycket går att variera upp och ner med hjälp av stängningstiderna på ventilerna.
• Uppdelningen av avgasportarna med hjälp av FreeValve-tekniken gör att mottrycket i avgassystemet minskar. Det gör att motorn blir effektivare då man kan använda ena avgasporten till att ”spola rent” samtidigt som den andra matar turbon.
• Ljudnivån är ungefär likvärdig vid lägre varv, men bullret från ventilmekanismen sjunker med FreeValve vid högre varvtal jämfört med konventionell ventilmekanism.
• Med FreeValve-tekniken sparar man både utrymme och vikt i motorkonstruktionen. Det ger nya möjligheter för konstruktörerna. Små motorer kan exempelvis användas för att ge bilar ett bättre kupéutrymme och bättre krockegenskaper.
• Genom att öppna avgasportarna som leder till turboaggregatet tidigt kan motorn få en snabbare gasrespons. Genom att tillfälligt rika upp bränslet får man också bättre respons.
